吳蘭君,張承芝

（1.河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003；2.平原航空設備責任公司動力運行分廠,河南新鄉(xiāng)453019）

隨著開關電源技術在大功率電源系統(tǒng)和分布式電源系統(tǒng)的廣泛應用,單個的開關電源模塊輸出功率有限,可靠性也低,電源系統(tǒng)為了提供更大更可靠的輸出功率,就需要采用多個開關電源模塊的并聯應用技術.如何解決并聯模塊間的電流應力和熱應力的均勻分配,防止一個或多個模塊運行在自身的電流極限狀態(tài),是多個開關電源模塊并聯應用所要解決的關鍵技術.考慮到并聯運行的各個開關電源模塊特性并不一致,外特性好（電壓調整率?。┑哪K可承擔更多的電流,甚至過載,從而使某些外特性較差的模塊運行于輕載狀態(tài),甚至于空載運行,必然加大了分擔電流多的模塊的熱應力,從而降低了可靠性[1].為了提高系統(tǒng)的容錯性和長期連續(xù)工作的可靠性,并聯的開關電源在模塊間通常需要采用均流措施[2-3].

本文以LTC4350做為研究對象,介紹均流控制原理,設計了相關外圍電路,并輔以仿真實驗加以驗證.多個電源模塊的并聯使用可以保證整個電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性,以實現大功率電源系統(tǒng)和分布式電源系統(tǒng)應用.

1 LTC4350均流控制原理

LTC4350外接一個低阻值感應電阻Rsense,用來檢測單個電源模塊輸出電流的大小,以Rsense兩端電壓的高低形式反應出來.這個動態(tài)電壓信號輸入到LTC4350內部的運算放大器Isense功能模塊進行放大輸出,該輸出與模塊電源的輸出電流成正比例,并通過外接增益電阻Rgain,產生取樣比較電壓信號.該電壓信號接入內部運算誤差放大器E/A2功能塊的反向輸入端,而均流控制總線SB上的電壓信號接入E/A2正向輸入端,兩者進行比較,如若有誤差,則E/A2的輸出信號送入內部運算放大器Iout功能塊放大輸出,經過內置功率放大管Q1放大輸出集電極電流,該電流也即是調節(jié)電流IADJ,如圖1所示,IADJ通過外接電阻Rout,形成控制電壓信號,從LTC4350的Iout端輸出,送到模塊前級電源穩(wěn)壓調節(jié)器LTC1629的控制輸入端,這樣,穩(wěn)壓控制器LTC1629的輸出電壓就跟隨控制信號而自動調整,讓單個模塊的輸出電流恒等于均流總線SB的電流.當整個電源系統(tǒng)中所有LTC4350的GAIN引腳電壓等于均流總線SB引腳的電壓時,也就相當于負載電流就被均勻地分配了,也就實現了LTC4350的均流控制目的.

由電阻R2和R3組成取樣電壓分配器,負責取樣負載電壓,并送入誤差電壓放大器E/A1,取樣電壓與內部的基準電壓比較,其誤差電壓經過E/A1放大輸出.如果取樣電壓低于或等于基準電壓,則E/A1的輸出通過串聯的二極管對均流總線SB進行驅動,否則E/A1的輸出端被接地,與其相連的二極管D1反偏而斷開與均流總線的連接.具有最高基準電壓的LTC4350將驅動SB引腳以及與SB引腳相連的20kΩ負載.串接在E/A1和SB之間的二極管D1實際上是一個在輸出級帶有二極管的低阻抗緩沖放大器,這樣的緩沖放大器至少能夠驅動50個20 kΩ的負載（每個20 kΩ負載就代表一個LTC4350）.主LTC4350的E/A1驅動均流總線達到適當值,此值即為E/A2的參考值,進而保持輸出電壓的可靠調節(jié).

圖1 LTC4350內部工作原理

2 LTC4350應用電路設計

本設計電路以同步降壓型DC-DC轉換器LTC1629作為模塊的電壓輸出,采用LTC4350作為模塊的均流控制和熱插拔控制電路,以控制LTC1629輸出到負載總線的電壓.

2.1 保護電路設計

在電源與負載之間外串接兩個功率FET（M1與M2）,如圖1所示,當電源LTC1692輸出短路接地時,通過檢測電阻上的電壓方向改變,一旦有大于30 mV的電壓并持續(xù)5 μs時間,外部功率FET的柵極電壓馬上被拉低,此時,由M2負責斷開模塊與負載的連接,一旦通過檢測電阻的反向壓降小于20 mV,柵極電壓就被允許上升直至開啟功率FET.當電源LTC1692輸出電壓過高時,一旦OV引腳取樣電壓超過設定的1.22 V閾值,外部功率FET柵極電壓被拉低,由M1負責斷開與負載的電路連接.這樣,只要一個電源模塊出現故障,就讓保護電路啟動,斷開本故障電源模塊與負載總線的連接,并由故障狀態(tài)告警線STATUS對外發(fā)出報警信號.

2.2 熱插拔電路設計

整個電源系統(tǒng)長時間帶負載工作,難免單個電源模塊發(fā)生故障或失效,這就需要及時地移除故障模塊和更換備份模塊,否則將會給其他正常工作的電源模塊增加額外的負擔,引起電源系統(tǒng)的不穩(wěn)定,甚至癱瘓整個電源系統(tǒng).因此,除需要故障電源模塊本身能主動斷開負載連接外,還應該能自動發(fā)出告警信息,提示技術人員需要換上一個好的電源模塊.為了滿足連續(xù)供電的電源系統(tǒng)的需要,就要求電源模塊能帶電移除和插入,并且在插拔電源模塊時,不能給整個電源系統(tǒng)帶來干擾,保證整個電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性,以實現熱插拔操作.

基于LTC4350的欠壓引腳（UV引腳）,來實現熱插拔功能.電源模塊插入時,設定UV引腳的電壓值低于欠壓鎖定值1.24 V時,使GATE端輸出為0 V,外部功率FET被關斷,此時本模塊與負載不連通.隨著Vcc引腳的電壓因電容（實驗給定一個0.1 μF的電容就可以）充電而緩慢上升,一旦Vcc引腳電壓值高于欠壓鎖定值時,UV引腳的電壓也隨之升高,當該電壓高于1.24 V時,外接功率FET的柵極通過10 μA的電流源充電,使GATE引腳的電壓以斜率為10 μA/CG速率開始緩慢上升,實驗給定CG的容量也為0.1 μF,如圖2所示.這種緩慢的充電過程將使本模塊電源輸出能夠平穩(wěn)地接入負載,并給負載供電,可以有效地防止大的浪涌電流進入電源系統(tǒng).當某個電源模塊出現故障或拔出時,UV引腳電壓將低于1.22 V,LTC4350對外接功率FET的柵極進行快速放電,UV引腳的電壓將跌落至1.22 V以下時,外接FET關斷,使該故障模塊自動與負載隔離開來,這樣就能實現LTC4350的熱插拔功能.

圖2 接通電源時GATE引腳電壓變化情況

3 電路仿真與實現

總的設計思想如圖3所示,每個電源模塊都有自己的開關電源集成電路LTC1629以及均流集成電路LTC4350.讓LTC1629集成電路來實現DC-DC轉換,提供模塊需要的負載電壓.讓LTC4350集成電路對來自LTC1629的輸出電壓進行調整,以實現本模塊的均流控制,同時也負責完成本模塊的熱插拔控制,以實現本設計的主要功能要求.

為了驗證設計電路的均流控制特性,搭建仿真實驗模型,使用4個電源模塊做并聯均流實驗,采用Spice III仿真軟件,用純電阻做假負載,實際測得單個模塊的輸出電流In（n=1,2,3,4）如表1所示.

圖3 多模塊并聯工作原理

表1 4個20A/1.5V電源模塊并聯均流實驗數據

從實驗室數據來看,設計均流電路在輕載和重載的情況下,均流精度都能很好地控制在容忍的誤差范圍之內,均流精度比較高.

具體實現電路如圖4所示,并聯工作的模塊間共享均流總線、負載總線、電源輸入總線Vin以及模塊故障狀態(tài)告警總線STATUS.LTC4350的輸出控制Iout信號直接加載到電源模塊LTC1629的Vos+控制端,來實現對電源輸出電壓的自動調節(jié).電阻ROUT和RSET用來設置電壓調整范圍.RSET上的電壓以ROUT/RSET的比值轉換成ROUT上的電壓,用公式（1）表示調整電壓的范圍大小,RSET正常取值范圍在50 Ω到100 Ω之內均可.

Rgain取值依靠感應電阻的最大電壓降和Vcc而定,因GAIN引腳最高可能電壓為1.5 V,因此用公式

（2）計算Rgain的阻值.

其中RSENSE為低阻值感應電阻,本設計用值為0.001 Ω,IMAX為單個電源模塊提供的最大電流值,本設計為20 A.

本設計輸出負載電壓為1.5 V,讓LTC1629的INTVcc引腳直接驅動LTC4350的Vcc引腳,即可以達到設計目的.

圖4 實現均流和熱插拔功能的單個電源模塊

本設計只是展示了一單個電源模塊的電路示意圖,如圖4所示.多個此樣模塊并接在一起,讓其同時工作,就可為負載提供電力供應.各模塊間自動均分負載電流,即可實現一個并聯均流的電源系統(tǒng).單個或少數電源模塊的故障或失效,只要總的負載電流不超過系統(tǒng)供應,電源系統(tǒng)就不會崩潰,就可以保證電源系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、連續(xù)的電力供應,讓整個電源系統(tǒng)具有很高的容錯性.同時,故障或失效電源模塊及時地發(fā)出告警信號,送到狀態(tài)告警總線STATUS,能方便系統(tǒng)管理人員集中監(jiān)控.

4 結束語

LTC4350集均流和熱插拔功能于一體,既能實現整個電源系統(tǒng)的負載均流控制,又能實現熱插拔操作,簡化了電源模塊的設計,很容易實現N+1冗余.實現的電源系統(tǒng)能夠及時有效地識別故障或失效電源,同時GATE引腳輸出低電平,讓外接的FET開路,自動隔離故障電源模塊與負載的連接.在不關斷整個電源系統(tǒng),不停止電源系統(tǒng)電力供應的情況下,安全地移走故障或失效的電源模塊,同時換上備份模塊,也不會因為插拔電源模塊而給電源系統(tǒng)電力供應帶來干擾,從而實現電源系統(tǒng)電力供應的連續(xù)性.做成的電源系統(tǒng)性能穩(wěn)定,安全可靠.LTC4350主要應用在需要均流控制和熱插拔電源系統(tǒng)中,比如服務器和網絡設備供電系統(tǒng),通信和基站設備供電系統(tǒng)以及分布式電源系統(tǒng)中.

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